1.1 案例描述
1.2 学习目标
1.3 模拟内容
2 启动FLUENT并导入网格
3 材料设置
4 Cell Zones Conditions
5 Calculate
6 定义Injecions
7 定义DPM材料
8 颗粒追踪
9 设置粒子分布直径
10 粒子追踪
11 统计出口面上粒径分布
12 修改壁面边界以捕捉颗粒
13 颗粒追踪
14 考虑湍流效应
15 考虑冲蚀
16 后处理查看壁面冲蚀云图
17 导出数据到CFD-POST
18 CFD-POST操作
本案例延续案例1的模型及计算结果。
1 引子
1.1 案例描述
本案例描述了如何在FLUENT中使用DPM模型。在前面的案例中，模拟了T型管中的单相流动。本案例将使用相同的T型管模型，模拟颗粒进入T型管后的运动轨迹。
1.2 学习目标
本案例学习目标包括：
- 定义颗粒材料
- 向计算域中注入颗粒
- 使用常数或分布函数定义颗粒粒径
- 包含颗粒的随机效应
- 预测管道壁面的冲蚀损伤
1.3 模拟内容
本案例模拟的是几何模型与案例1相同，不过介质为丙烷，同时还有水滴注入到计算域中。
- 模拟液滴被气体带入管道中的运动轨迹
- 使用分布粒径，预测固体壁面上的冲蚀（或附着）
2 启动FLUENT并导入网格
采用案例1的Case，导入过程这里不详述。
3 材料设置
- 在FLUENT材料库中添加材料Propane(c3h8)
4 Cell Zones Conditions
- 设置计算域材料为Propane
5 Calculate
- 设置计算150步，获取新的计算结果
6 定义Injecions
- 鼠标双击模型树节点Discrete Phase > Injections，在弹出的对话框中选择按钮Create
- 在弹出的Set Injection Properties对话框中，进行如下图所示的设置。
7 定义DPM材料
- 鼠标双击模型树节点Materials > Inert Particle > anthracite，弹出材料属性设置对话框，改变Density参数值为1000，如下图所示，点击按钮Change/Create并关闭对话框。
8 颗粒追踪
- 鼠标双击模型树节点Results > Graphics > Particle Tracks，弹出颗粒追踪参数设置对话框
- 点击对话框中的选项Draw Mesh前的复选框，弹出Mesh Display对话框，点击Display按钮。点击Close按钮关闭对话框。
返回Particle Tracks面板，选择Release from Injections列表框中的injection-0，点击按钮Track进行粒子追踪
此时TUI窗口显示信息如图所示：
图中信息为：追踪粒子数量158个，其中逃逸158个，丢失0个，捕捉0个，蒸发0个，未完成0个
点击Display按钮，显示粒子追踪图（颗粒停留时间），如下图所示。
关于DPM的一些分析：
在本例中，液滴从”inlet-z”边界释放进入计算域，该边界上有158个网格，追踪158个轨迹
- 每一个液滴直径均为，其密度为，因此液滴质量为
- 这里假设从相同位置以相同条件进入计算域的粒子具有相同的轨迹
- 计算中输入的质量流量为1kg/s，因此158个粒子用于表征个真实粒子（)
- The droplet (or particle) progresses through the domain through a large number of small steps. At each step, the solver computes the force balance acting on a single droplet (diameter 1x10-4 m) – hence considering the drag with the surrounding fluid, droplet inertia, and if applicable gravity. The mass transported is that of all the droplets in that stream (1.2x107 droplets/sec).
- 液滴与连续相间可以是单向耦合也可以是双向耦合。本案例采用的是单向耦合。
- 单向耦合意味着流体可以影响DPM粒子的动量及能量，但是DPM粒子运动不会影响到其周围连续相的流场。因此可以在后处理中计算DPM轨迹
- 若有必要的话，可以通过在DPM模型设置面板中激活Interaction with Continuous Phase选项来开启双向耦合。双向耦合计算中连续相收敛要比单向计算困难，往往需要更多的迭代步，在计算的过程中，没有必要再每一个流动迭代步中计算DPM轨迹，通常在5-10个迭代步后更新粒子轨迹。
9 设置粒子分布直径
- 设置计算域材料为Propane
5 Calculate
- 设置计算150步，获取新的计算结果
6 定义Injecions
- 鼠标双击模型树节点Discrete Phase > Injections，在弹出的对话框中选择按钮Create
- 在弹出的Set Injection Properties对话框中，进行如下图所示的设置。
7 定义DPM材料
- 鼠标双击模型树节点Materials > Inert Particle > anthracite，弹出材料属性设置对话框，改变Density参数值为1000，如下图所示，点击按钮Change/Create并关闭对话框。
8 颗粒追踪
- 鼠标双击模型树节点Results > Graphics > Particle Tracks，弹出颗粒追踪参数设置对话框
- 点击对话框中的选项Draw Mesh前的复选框，弹出Mesh Display对话框，点击Display按钮。点击Close按钮关闭对话框。
返回Particle Tracks面板，选择Release from Injections列表框中的injection-0，点击按钮Track进行粒子追踪
此时TUI窗口显示信息如图所示：
图中信息为：追踪粒子数量158个，其中逃逸158个，丢失0个，捕捉0个，蒸发0个，未完成0个
点击Display按钮，显示粒子追踪图（颗粒停留时间），如下图所示。
关于DPM的一些分析：
在本例中，液滴从”inlet-z”边界释放进入计算域，该边界上有158个网格，追踪158个轨迹
- 每一个液滴直径均为，其密度为，因此液滴质量为
- 这里假设从相同位置以相同条件进入计算域的粒子具有相同的轨迹
- 计算中输入的质量流量为1kg/s，因此158个粒子用于表征个真实粒子（)
- The droplet (or particle) progresses through the domain through a large number of small steps. At each step, the solver computes the force balance acting on a single droplet (diameter 1x10-4 m) – hence considering the drag with the surrounding fluid, droplet inertia, and if applicable gravity. The mass transported is that of all the droplets in that stream (1.2x107 droplets/sec).
- 液滴与连续相间可以是单向耦合也可以是双向耦合。本案例采用的是单向耦合。
- 单向耦合意味着流体可以影响DPM粒子的动量及能量，但是DPM粒子运动不会影响到其周围连续相的流场。因此可以在后处理中计算DPM轨迹
- 若有必要的话，可以通过在DPM模型设置面板中激活Interaction with Continuous Phase选项来开启双向耦合。双向耦合计算中连续相收敛要比单向计算困难，往往需要更多的迭代步，在计算的过程中，没有必要再每一个流动迭代步中计算DPM轨迹，通常在5-10个迭代步后更新粒子轨迹。
9 设置粒子分布直径
- 鼠标双击模型树节点Discrete Phase > Injections，在弹出的对话框中选择按钮Create
- 在弹出的Set Injection Properties对话框中，进行如下图所示的设置。
7 定义DPM材料
- 鼠标双击模型树节点Materials > Inert Particle > anthracite，弹出材料属性设置对话框，改变Density参数值为1000，如下图所示，点击按钮Change/Create并关闭对话框。
8 颗粒追踪
- 鼠标双击模型树节点Results > Graphics > Particle Tracks，弹出颗粒追踪参数设置对话框
- 点击对话框中的选项Draw Mesh前的复选框，弹出Mesh Display对话框，点击Display按钮。点击Close按钮关闭对话框。
返回Particle Tracks面板，选择Release from Injections列表框中的injection-0，点击按钮Track进行粒子追踪
此时TUI窗口显示信息如图所示：
图中信息为：追踪粒子数量158个，其中逃逸158个，丢失0个，捕捉0个，蒸发0个，未完成0个
点击Display按钮，显示粒子追踪图（颗粒停留时间），如下图所示。
关于DPM的一些分析：
在本例中，液滴从”inlet-z”边界释放进入计算域，该边界上有158个网格，追踪158个轨迹
- 每一个液滴直径均为，其密度为，因此液滴质量为
- 这里假设从相同位置以相同条件进入计算域的粒子具有相同的轨迹
- 计算中输入的质量流量为1kg/s，因此158个粒子用于表征个真实粒子（)
- The droplet (or particle) progresses through the domain through a large number of small steps. At each step, the solver computes the force balance acting on a single droplet (diameter 1x10-4 m) – hence considering the drag with the surrounding fluid, droplet inertia, and if applicable gravity. The mass transported is that of all the droplets in that stream (1.2x107 droplets/sec).
- 液滴与连续相间可以是单向耦合也可以是双向耦合。本案例采用的是单向耦合。
- 单向耦合意味着流体可以影响DPM粒子的动量及能量，但是DPM粒子运动不会影响到其周围连续相的流场。因此可以在后处理中计算DPM轨迹
- 若有必要的话，可以通过在DPM模型设置面板中激活Interaction with Continuous Phase选项来开启双向耦合。双向耦合计算中连续相收敛要比单向计算困难，往往需要更多的迭代步，在计算的过程中，没有必要再每一个流动迭代步中计算DPM轨迹，通常在5-10个迭代步后更新粒子轨迹。
9 设置粒子分布直径
- 鼠标双击模型树节点Results > Graphics > Particle Tracks，弹出颗粒追踪参数设置对话框
- 点击对话框中的选项Draw Mesh前的复选框，弹出Mesh Display对话框，点击Display按钮。点击Close按钮关闭对话框。
返回Particle Tracks面板，选择Release from Injections列表框中的injection-0，点击按钮Track进行粒子追踪
此时TUI窗口显示信息如图所示：
图中信息为：追踪粒子数量158个，其中逃逸158个，丢失0个，捕捉0个，蒸发0个，未完成0个
点击Display按钮，显示粒子追踪图（颗粒停留时间），如下图所示。
关于DPM的一些分析：
在本例中，液滴从”inlet-z”边界释放进入计算域，该边界上有158个网格，追踪158个轨迹
- 每一个液滴直径均为，其密度为，因此液滴质量为
- 这里假设从相同位置以相同条件进入计算域的粒子具有相同的轨迹
- 计算中输入的质量流量为1kg/s，因此158个粒子用于表征个真实粒子（)
- The droplet (or particle) progresses through the domain through a large number of small steps. At each step, the solver computes the force balance acting on a single droplet (diameter 1x10-4 m) – hence considering the drag with the surrounding fluid, droplet inertia, and if applicable gravity. The mass transported is that of all the droplets in that stream (1.2x107 droplets/sec).
- 液滴与连续相间可以是单向耦合也可以是双向耦合。本案例采用的是单向耦合。
- 单向耦合意味着流体可以影响DPM粒子的动量及能量，但是DPM粒子运动不会影响到其周围连续相的流场。因此可以在后处理中计算DPM轨迹
- 若有必要的话，可以通过在DPM模型设置面板中激活Interaction with Continuous Phase选项来开启双向耦合。双向耦合计算中连续相收敛要比单向计算困难，往往需要更多的迭代步，在计算的过程中，没有必要再每一个流动迭代步中计算DPM轨迹，通常在5-10个迭代步后更新粒子轨迹。
9 设置粒子分布直径
前面对于粒子直径采用常数，这里改为使用Rosin-Rammler分布。
R-R分布指的是颗粒质量分数与直径间的函数关系：
式中，为平均粒径
- 双击模型树节点Models > Discrete Phase(On) > Injections > Injection-0，如下图所示。
- 在弹出的对话框中进行如下设置
- 设置Diameter Distribution为Rosin-rammler
- 设置Min Diameter为1e-4
- 设置Max Diameter为5e-4
- 设置Mean Diameter为4e-4
- 设置Number of Diameters为10
- 点击OK按钮确认操作并关闭对话框。如下图所示。
10 粒子追踪
- 采用第8步相同的方式进行Particle Tracks
粒子追踪（颗粒停留时间）如下图所示。
此时TUI窗口消息如下图所示。
此时追踪的粒子数量变为了1580个，是因为在上一步中设置Number of Diameters为10，所以总的粒子数量为个。
11 统计出口面上粒径分布
粒子追踪（颗粒停留时间）如下图所示。
此时TUI窗口消息如下图所示。
此时追踪的粒子数量变为了1580个，是因为在上一步中设置Number of Diameters为10，所以总的粒子数量为个。
-鼠标点击模型树节点Results > Reports > Discrete Phase > Sample，如下图所示。
- 在弹出的对话框（如下图所示）中选择Boundaries为outlet，选择Release from Injections为injection-0，点击Compute按钮，如下图所示。
- 点击模型树节点Results > Reports > Discrete Phase > Histogram，弹出如下图所示的对话框。
- 点击Read…按钮，加载上一步生成的文件outlet.dpm
- 进行如下图所示设置。选择Sample为outlet，选择variable为diameter，选择weight为mass-flow
- 点击Plot按钮显示图像。如下图所示。（也可以将数据输出，然后用其他后处理工具绘图）
12 修改壁面边界以捕捉颗粒
- 鼠标双击模型树节点Boundary Conditions > wall-fluid(wall)，弹出边界设置对话框
- 切换到DPM标签页，设置Boundary cond. Type为Trap，如下图所示
- 点击OK按钮关闭对话框
13 颗粒追踪
按第8步相同的方法进行粒子追踪。TUI窗口显示如下图所示的信息。
可以看出，释放了1580个颗粒，其中逃逸857个，捕捉723个。
颗粒追踪（粒子停留时间）如下图所示。
14 考虑湍流效应
- 双击模型树节点Models > Discrete Phase(On) > Injections > Injection-0，弹出如下图所示对话框。
- 切换至Turbulent Dispersion标签页，激活Discrete Random Walk Model，设置Number of Tries为10，点击OK按钮关闭对话框。
- 采用如步骤8所描述的粒子追踪方法。
TUI窗口显示消息如下图所示。
从图中可以看出，追踪颗粒数量变为了15800，其中逃逸5324，捕捉3591，追踪未完成6885
追踪颗粒之所以变为了15800，是因为使用随机模型的时候设置了Number of Tries为10，故总颗粒数量为
这里反映有未完成颗粒，可以通过增大Discrete Phase Model面板中的Max Number of Step来改善。该值默认为500。将此值增大至2000，则未完成颗粒消失。
15 考虑冲蚀
- 计算冲蚀必须使用双向耦合
为计算资源考虑，关闭Discrete Random Walk
双击模型树节点Discrete Phase，在弹出的对话框中进行如下图所示的设置。
进入Solution > Run Calculation节点，进行如下图所示设置。
由于本例设置的颗粒材料为液滴，因此壁面采用的是Trap，若为固态颗粒计算冲蚀，则需要设置壁面行为为Reflect。实际计算时还需要对壁面DPM行为参数进行设置，这里采用默认参数。
16 后处理查看壁面冲蚀云图
- 双击模型树节点Results > Graphics > Contours ，弹出如下图所示对话框
- 在弹出的对话框中进行如下图所示设置
点击Display按钮显示冲蚀云图，如下图所示。
17 导出数据到CFD-POST
TUI窗口显示消息如下图所示。
从图中可以看出，追踪颗粒数量变为了15800，其中逃逸5324，捕捉3591，追踪未完成6885
追踪颗粒之所以变为了15800，是因为使用随机模型的时候设置了Number of Tries为10，故总颗粒数量为
这里反映有未完成颗粒，可以通过增大Discrete Phase Model面板中的Max Number of Step来改善。该值默认为500。将此值增大至2000，则未完成颗粒消失。
- 计算冲蚀必须使用双向耦合
为计算资源考虑，关闭Discrete Random Walk
双击模型树节点Discrete Phase，在弹出的对话框中进行如下图所示的设置。
进入Solution > Run Calculation节点，进行如下图所示设置。
由于本例设置的颗粒材料为液滴，因此壁面采用的是Trap，若为固态颗粒计算冲蚀，则需要设置壁面行为为Reflect。实际计算时还需要对壁面DPM行为参数进行设置，这里采用默认参数。
16 后处理查看壁面冲蚀云图
- 双击模型树节点Results > Graphics > Contours ，弹出如下图所示对话框
- 在弹出的对话框中进行如下图所示设置
点击Display按钮显示冲蚀云图，如下图所示。
17 导出数据到CFD-POST
点击Display按钮显示冲蚀云图，如下图所示。
dat文件中并没有包含DPM颗粒轨迹数据，因此需要采用导出的方式将颗粒轨迹导出到文件中。
- 利用菜单File > Export > Particle History Data，弹出如下图所示对话框
- 点击按钮Exported Particle Variables…，弹出如下图所示对话框，在对话框中Available Particle Variables列表项中选择需要导出的变量，点击按钮Add Variables将选择的变量添加到左侧的列表中，点击OK按钮关闭对话框。
- 返回到Export Particle History Data对话框，点击Write按钮输出颗粒轨迹数据。
- 关闭FLUENT返回至Workbench工程面板。
18 CFD-POST操作
- 从左侧的组件列表中选择Result拖拽至A3单元格上，双击工程面板中的B2单元格，进入CFD-POST环境
- 利用菜单File > Import > Import Fluent Particle Track File，如图所示
打开如下图所示对话框，找到上一步导出的颗粒轨迹文件。
- 颗粒轨迹导入后，点击模型树节点FLUENT PT for Anthracite，在下方属性窗口中，设置Max Tracks为500
打开如下图所示对话框，找到上一步导出的颗粒轨迹文件。
- 设置Color标签页下，进行如下图所示设置
- 点击Apply按钮，图形框显示粒子追踪图如下图所示。
